中壓配電網(wǎng)電壓比較研究

魏運(yùn)軍，董家讀

(1.中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南長沙 410007;2.佛山供電局，廣東佛山 528000)

1 引言

在電網(wǎng)規(guī)劃工作中，電力網(wǎng)絡(luò)電壓等級的選擇不僅關(guān)系到電網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，而且對整個(gè)電力工業(yè)的發(fā)展以及受電用戶的需求都有非常重要的影響。我國現(xiàn)在采用的10kV中壓配電電壓等級，是在50年代中期開始到70年代中期結(jié)束的城網(wǎng)升壓改造工程中，逐漸改造和標(biāo)準(zhǔn)化而來的。我國城市電網(wǎng)的改造，經(jīng)歷了多種較低的配電電壓，如2.3kV，3.3kV和6.3kV，后來隨著配電網(wǎng)的用電負(fù)荷不斷增加，配電網(wǎng)中壓配電網(wǎng)等級統(tǒng)一提高到10kV。通過此次對電網(wǎng)的改造，配電網(wǎng)的電壓得到了很大的提高，不僅滿足了經(jīng)濟(jì)發(fā)展對電量的需求，同時(shí)配電網(wǎng)技術(shù)也得到了提升。由于此次的配電網(wǎng)改造，不但大大提高了對用戶需求側(cè)的配電能力和供電能力，并且改善了供電質(zhì)量和供電可靠性。此次改造，更為關(guān)鍵的是大幅降低了供配電系統(tǒng)的線路損耗，不僅使電能得到充分的利用，提高了能源的利用效率，降低了供電企業(yè)的運(yùn)營成本，全國各個(gè)大中城市供電局線損率的平均水平從11%～12%降為7% ～8%，平均降低了3.5個(gè)百分點(diǎn)，效果非常明顯。通過此次配電網(wǎng)改造實(shí)踐證明，當(dāng)時(shí)的這一重要舉措不但有效的推進(jìn)電力運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)自身的發(fā)展，同時(shí)有效的為國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展提供了可靠的電力供應(yīng)，而且此舉也統(tǒng)一了設(shè)備的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，簡化了電力系統(tǒng)的運(yùn)行，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，降低了企業(yè)的運(yùn)行成本，利于企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。實(shí)踐證明，這一重要舉措有力地加快了電網(wǎng)自身的發(fā)展［1－3］。

改革開放以來，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展以及城市居民生活水平的不斷提高，城市用電水平以空前的速度增長，越來越明顯地暴露出我國現(xiàn)有大中城市供配電網(wǎng)絡(luò)已不適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市現(xiàn)代化建設(shè)的需要。不少工程技術(shù)專家就提出了對城市電網(wǎng)進(jìn)行技術(shù)改造和提高一次配電電壓的建議［4，5］。

2 采用10kV配電電壓面臨的問題

隨著社會(huì)用電負(fù)荷的迅速增長，以10kV作為配電電壓的局限性越來越突出，主要表現(xiàn)在:

(1)10kV供電半徑不足。10kV線路供電半徑，在負(fù)荷密度20～30kW/km2時(shí)為10～12km，當(dāng)負(fù)荷密度達(dá)到30～50MW/km2時(shí)，每隔1.5～2.4km就要建設(shè)一座110/10kV變電站，導(dǎo)致變電站布點(diǎn)密度大，在土地資源緊張的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)變電站選址受到限制。無論從投資、管理、占地、節(jié)能、環(huán)境等方面來看，都存在不少問題。

(2)高負(fù)荷密度的供電難以滿足。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多機(jī)場、學(xué)校、商業(yè)、娛樂中心、廠礦以及高層建筑等高負(fù)荷密度的用戶，若用電需求達(dá)到20～30MW，采用10kV供電則需要提供6～8回線路，占用大量資源。

(3)10kV線路輸送容量相對較小，致使出線回路多、電纜敷設(shè)密度大，線路走廊受到限制。一座配置3×50MVA的110/10kV變電站一般需要30回出線或電纜，而一座配置3×80MVA的110/20kV變電站只需24回出線或電纜。

(4)線路負(fù)載重、損耗高，電壓質(zhì)量難以保證。由于建設(shè)困難，在高負(fù)荷密度地區(qū)電力設(shè)備往往處于重載運(yùn)行狀態(tài)，損耗較高。20世紀(jì)80年代以后全國線損率一直在8%左右徘徊。其中全國城網(wǎng)110kV及以下配電網(wǎng)線損電量約占總線損電量的60%，從目前情況來看，部分城市居高不下，在較發(fā)達(dá)地區(qū)，再增加220kV、110kV變電站布點(diǎn)，對降損效果不顯著，因此降損關(guān)鍵在中壓配電網(wǎng)。

3 中壓配電網(wǎng)電壓的選擇

針對中壓配電網(wǎng)采用10kV在當(dāng)今出現(xiàn)的一系列問題，不少工程技術(shù)專家就提出了必須對城市電網(wǎng)進(jìn)行技術(shù)改造和提高10kV一次配電電壓的建議。經(jīng)過討論和醞釀逐步形成了一條改造城網(wǎng)的指導(dǎo)思想:提高輸電電壓，高壓深入城市負(fù)荷中心，簡化電壓等級，減少中間變壓層次，提高配電電壓［6－8］。

對于提高配電電壓，比10kV電壓高的有20kV和35kV。但哪一種電壓更適合未來的配電網(wǎng)，下面做對比分析。

3.1 10kV與20kV、35kV的技術(shù)比較

(1)線路輸送能力

按照電網(wǎng)規(guī)劃的原則，依經(jīng)濟(jì)電流密度選擇截面A，則輸送功率為:

則在不改變線路導(dǎo)線規(guī)格的情況下，三種電壓的輸送功率之比為:

即35kV輸送功率是10kV的3.5倍，20kV輸送功率是10kV的2倍。

(2)減小電壓損失

電壓降百分?jǐn)?shù)為:

在負(fù)荷不變的條件下:

在電流不變的條件下:

由式(4)、(5)可知，在電壓提高后，電壓損耗可大大降低。

(3)供電半徑

經(jīng)濟(jì)供電半徑的計(jì)算公式為:

在負(fù)荷不變，電壓損失不變的條件下

即，供電半徑與電壓成正比。

(4)線路損耗

線路中的損耗為

則

故，在負(fù)荷不變的情況下:

由式(11)可知，在電壓提高后，功率損耗亦大大降低。

(5)主變降壓容量

變壓器低壓側(cè)電壓等級的提高，使得在相同降壓容量下，低壓側(cè)工作電流和短路電流減小，提高了變電站供電能力。在同樣短路電流的限值下，低壓側(cè)采用20kV的電壓，其主變?nèi)萘靠杀炔捎?0kV電壓時(shí)提高1倍。如果采用35kV，則主變?nèi)萘靠稍偬嵘?倍，變電站供電能力成倍提高。

(6)線路桿塔主要技術(shù)參數(shù)

表1 線路桿塔主要技術(shù)參數(shù)

從上表可以看出，10kV和20kV在線路桿塔參數(shù)上相同，10kV桿塔可以不經(jīng)改造直接用在20kV系統(tǒng)上，而35kV則與10kV不一樣。

(7)電纜技術(shù)參數(shù)對比

表2 電纜技術(shù)參數(shù)對比

根據(jù)表2可知，10kV電纜的最高運(yùn)行電壓值、工頻耐壓值比20kV電纜分別低6.5kV，10kV，其絕緣厚度相差0.5mm。由此可見，10kV電纜須經(jīng)耐壓試驗(yàn)檢驗(yàn)合格后方可用于20kV系統(tǒng)，而35kV各相技術(shù)參數(shù)比10kV高很多，10kV設(shè)備不能用于35kV系統(tǒng)。

3.2 10kV與20kV和35kV的經(jīng)濟(jì)比較

電壓等級的不同選擇方案對供電區(qū)域的影響是綜合性的，需要對整個(gè)供電區(qū)域的規(guī)劃方案進(jìn)行比較。

以某工業(yè)園區(qū)為例，規(guī)劃負(fù)荷3500MW，采用(110/20)kV供電方案的總體造價(jià)最低，分別為10kV和35kV供電方案的83%和87%。表3為該工業(yè)園供電方案比較表。

表3 某工業(yè)園供電方案比較表

從上表可以看出，中壓配電電壓采用20kV，盡管變電站和配電所個(gè)數(shù)不是最少，比35kV略多，但總投資是最少的，20kV配網(wǎng)和35kV配網(wǎng)的投資分別為10kV配網(wǎng)的84.3%和96.13%。

3.3 20kV電壓等級是中壓配電網(wǎng)的首選

目前的10kV配電線路已經(jīng)不能完全適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的負(fù)荷增長和電力供應(yīng)，以上分析了20kV、35kV與10kV的優(yōu)缺點(diǎn)。

從提高電能質(zhì)量和供電能力、降低損耗的角度來說，提高一次配電的電壓有利于大幅降低損耗，35kV比20kV有更好的效果。但是，由于低壓短路容量的限制，現(xiàn)階段我國生產(chǎn)的35kV直降至低壓的變壓器不能做的太大，否則短路電流太大，容易引發(fā)事故。實(shí)際應(yīng)用中，35kV電壓需要分別降至10kV和0.38kV，2級降壓再行分配。這樣造成電壓層級多、電網(wǎng)結(jié)線復(fù)雜，不利于電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行。

從以上幾個(gè)表可以看出，采用35kV比20kV投資大。35kV設(shè)備造價(jià)昂貴，變電站和線路走廊占用空間大，投資規(guī)模高于 20kV。而20kV供電容量高于10kV，20kV設(shè)備及線路走廊占用的空間與10kV基本相當(dāng)，造價(jià)又低于10kV，20kV的投資最省。其次，10kV升級為35kV的優(yōu)勢低于升級為20kV。35kV絕緣水平是10kV的2倍以上，必須將現(xiàn)有設(shè)備全部更換為35kV電壓等級設(shè)備，投資巨大，而20kV的絕緣水平較10kV提升不大，部分設(shè)備可以保留。

經(jīng)過以上分析，采用20kV的配電網(wǎng)有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)20kV設(shè)備價(jià)格與10kV設(shè)備價(jià)格相差無幾，而性能上又與35kV相當(dāng)，節(jié)約了投資，提高了設(shè)備的性價(jià)比。

(2)20kV配電網(wǎng)不但提高和擴(kuò)大了10kV配電層的功能，同時(shí)減少了35kV中間的多次變壓，簡化了電壓層級。

(3)20kV集升壓與簡化電壓等級于一身，收擴(kuò)容改造與降損節(jié)能于一體。

綜合上述各種因素考慮，20kV電壓等級是中壓配電網(wǎng)改造的首選，尤其是經(jīng)濟(jì)發(fā)

達(dá)城市以及用電負(fù)荷密度高的地區(qū)，將有利電能的有效利用，提高電能質(zhì)量。

4 采用20kV電壓應(yīng)注意的問題

(1)中性點(diǎn)接地方式

配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的選擇問題是20kV配電網(wǎng)改造過程中所面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。在配電網(wǎng)改造過程中，中性點(diǎn)接地方式與設(shè)備絕緣水平以及設(shè)備經(jīng)濟(jì)密切相關(guān)，中性點(diǎn)接地方式的選擇直接影響20kV配電網(wǎng)改造過程中相關(guān)設(shè)備的選型和投資預(yù)算。

研究表明，當(dāng)系統(tǒng)電容電流小于10A時(shí)，單相故障電流較小，可采用不接地方式;當(dāng)電容電流大于10A時(shí)，單相故障電流產(chǎn)生間歇電弧，導(dǎo)致非故障相產(chǎn)生間歇電弧過電壓，這種情況下應(yīng)采用消弧線圈接地方式;當(dāng)電容電流更大時(shí)，應(yīng)采用小電阻接地方式。各種接地方式的電容電流范圍如表4所示。

(2)配電網(wǎng)的發(fā)展模式問題。目前配電系統(tǒng)主要以10kV電壓等級構(gòu)成的網(wǎng)架為主(部分大客戶采用6kV供電)，從10kV改造為20kV的過程可能要經(jīng)歷20～30年甚至更長時(shí)間。在此期間，多數(shù)供電區(qū)域內(nèi)都將存在10kV和20kV兩種電壓等級，因此在20kV發(fā)展規(guī)劃中必須認(rèn)真考慮改造時(shí)機(jī)、改造模式、系統(tǒng)互聯(lián)等問題。

表4 20kV配電網(wǎng)不同接地方式電容電流范圍

(3)現(xiàn)有設(shè)備存量的利用問題。我國配電網(wǎng)現(xiàn)有設(shè)備存量基本為10kV設(shè)備，要盡量利用現(xiàn)有設(shè)備存量，充分考慮現(xiàn)有設(shè)備的運(yùn)行年限，不宜對設(shè)備運(yùn)行年限較短、負(fù)荷沒有較大發(fā)展的區(qū)域進(jìn)行較大規(guī)模的改造。

5 結(jié)論

本文對我國中壓配電網(wǎng)電壓等級進(jìn)行了回顧，指出了10kV供電存在的問題。比較了中壓配電網(wǎng)分別采用10kV、20kV和35kV的優(yōu)缺點(diǎn)，指出采用20kV配電網(wǎng)更符合我國未來的發(fā)展趨勢。由于存在與其他區(qū)域電網(wǎng)配合困難等問題，因此20kV的大范圍使用還難以在短時(shí)間內(nèi)推行。電壓等級的調(diào)整是一個(gè)長期的過程，而且要結(jié)合經(jīng)濟(jì)發(fā)展和電網(wǎng)建設(shè)實(shí)際。目前，可以在有條件的區(qū)域進(jìn)行20kV供電方案的試點(diǎn)，逐步積累運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，為20kV的推廣使用做好準(zhǔn)備。

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